pH, кислоты и основания

Кислотно-основная химия объединяет перенос протона и химическое равновесие. pH — логарифмическая мера активности H₃O⁺, а pKₐ характеризует положение равновесия диссоциации кислоты. Разделение этих понятий объясняет, почему «сильная кислота» не означает «концентрированная», а буферный раствор уменьшает изменение pH, но не способен удерживать pH абсолютно постоянным.

Ключевые соотношения: pH = −log a(H₃O⁺) · pKₐ = −log Kₐ · pH = pKₐ + log([A⁻]/[HA])

Наглядная модель

0714HA + H₂O ⇌ H₃O⁺ + A⁻pH = pKₐ + log([A⁻]/[HA])Схема концептуальная и не выполнена в масштабе.

Интерактивная модель

Кислоты и основания Брёнстеда

Кислота Брёнстеда отдаёт протон, основание его принимает. В HA + H₂O ⇌ H₃O⁺ + A⁻ частицы HA/A⁻ образуют сопряжённую кислотно-основную пару. Сильная кислота в разбавленной воде практически полностью ионизована, слабая устанавливает равновесие. Сила характеризует положение равновесия, а не исходную концентрацию раствора.

pH, pOH и автоионизация воды

pH=−log a(H₃O⁺). При 25 °C в разбавленном растворе K_w≈1,0×10⁻¹⁴, поэтому pH+pOH≈14. Диапазон 0–14 не является фундаментальной границей: в концентрированных растворах pH может быть ниже 0 или выше 14, а K_w меняется с температурой. Разница в одну единицу pH соответствует примерно десятикратному изменению активности гидроксония.

Kₐ и pKₐ количественно описывают силу кислоты

Для HA: Kₐ=a(H₃O⁺)a(A⁻)/a(HA), pKₐ=−logKₐ. Чем меньше pKₐ, тем сильнее кислота. В протонном обмене равновесие обычно смещено к более слабой кислоте и более слабому основанию при сравнимых условиях растворителя. У многоосновных кислот несколько последовательных Kₐ, и каждой ступени может соответствовать собственная буферная область.

Буферы и уравнение Хендерсона–Хассельбаха

Для идеализированного буфера HA/A⁻: pH=pKₐ+log([A⁻]/[HA]). Соотношение особенно полезно, когда обе сопряжённые формы присутствуют в заметных количествах и концентрации приближают активности. При [A⁻]=[HA] получаем pH=pKₐ. Буферная ёмкость зависит и от абсолютных концентраций: очень разбавленный буфер при том же отношении компонентов нейтрализует меньше добавленной сильной кислоты или основания.

Титрование и точка эквивалентности

Точка эквивалентности определяется стехиометрическим нейтрализованием, а не универсальным правилом «pH=7». При титровании слабой кислоты сильным основанием в половине эквивалентности [A⁻]=[HA] и pH=pKₐ. В самой точке эквивалентности преобладает сопряжённое основание, поэтому раствор обычно щелочной. Анализ кривой должен последовательно учитывать стехиометрию, равновесие и разбавление.

Задачи

Одна единица pH

Во сколько раз активность H₃O⁺ при pH 3 выше, чем при pH 4?

Решение: Примерно в 10 раз, потому что pH — десятичная логарифмическая шкала.

Буфер

pKₐ=4,76 и [A⁻]/[HA]=10. Какой pH даёт Хендерсон–Хассельбах?

Решение: pH=4,76+log10=5,76.

Полуэквивалентность

Что верно в полуэквивалентной точке простого титрования слабой кислоты сильным основанием?

Решение: [A⁻]=[HA], логарифмический член равен нулю, поэтому pH=pKₐ.